L’area metropolitana sviluppatasi intorno alla città di Napoli ospita al suo interno due sistemi vulcanici attivi, il Somma-Vesuvio ed i Campi Flegrei, la cui storia geo- 18 L’Inferenza Bayesiana è un approccio alla teoria della probabilità in cui le probabilità sono interpretate come livelli di fiducia sog- gettivi per il verificarsi di un dato evento. Si ritiene inoltre che l’inferenza bayesiana costituisca la base più logica per discriminare tra differenti ipotesi alternative. Tramite tale approccio si usa associare un valore numerico al grado di fiducia di quella stessa ipotesi successivamente all’osservazione dei dati.
logica consente di ritenere che essi possano produrre ancora, nel futuro, eruzioni di tipo esplosivo. La pericolosità dei due vulcani, l’alto valore esposto dell’area urbana, che ospita circa tre milioni di persone, e la elevata vulnerabilità fanno del territorio partenopeo una delle zone a più alto rischio vulcanico del mondo. La necessità di pia- nificazione territoriale e di individuazione delle strategie per la gestione delle possibili emergenze ha generato, nel corso degli anni, un crescente interesse alla valutazione dei possibili danni indotti dalle eruzioni in quest’area.
Obiettivo di questo capitolo è la presentazione di alcune metodologie di valuta- zione probabilistica dell’impatto prodotto da eruzioni vulcaniche, allo scopo di indi- rizzare le strategie di pianificazione, la gestione dell’emergenza e possibili misure di mitigazione del rischio.
Tra le molteplici fenomenologie prodotte da un’eruzione vulcanica, tre, in par- ticolare, interessano la pianificazione di emergenza: gli eventi sismici, la caduta di cenere e i flussi piroclastici. Di questi, l’ultimo, il più devastante, prevede un’unica strategia di mitigazione, l’evacuazione preventiva della popolazione dalle aree espo- ste al pericolo di invasione. Questo riduce l’interesse, da parte dei pianificatori, per la valutazione dei danni indotti dai flussi, a vantaggio della valutazione della pericolosità e della previsione di “run out” del flusso stesso.
Il presente capitolo, pertanto, si occupa di descrivere, più nel dettaglio, valuta- zioni di danno agli edifici ed alla rete viaria prodotti da terremoti e caduta di cenere, pur riportando, per completezza, una possibile metodologia di stima dei danni indotti dai flussi piroclastici.
Analisi di rischio e di scenario
Una efficace pianificazione e programmazione nella gestione degli effetti delle eruzioni vulcaniche sulle aree urbane comporta la necessità di valutazioni preliminari di questi effetti sul territorio. In ragione dei diversi obiettivi, è possibile distinguere due diversi tipi di valutazioni, fondate su analisi di rischio e analisi di scenario.
Il rischio è la probabilità che un livello prefissato di danno (su persone, edifici, infra- strutture, economia, etc.) causato da eventi vulcanici si attinga entro un dato periodo di tempo, in una certa area geografica. Pertanto, il rischio va inteso come una valutazione cumulativa, che mette in conto i danni potenziali complessivi che nella medesima area possono essere generati da eventi diversi in un arco temporale prefissato. Lo scenario, invece, rappresenta la distribuzione probabilistica, in una certa area geografica, del danno indotto da un singolo evento vulcanico con probabilità di accadimento asse- gnata (assunto come scenario di riferimento). Sia nelle analisi di rischio che in quelle di scenario, entrano in gioco tre variabili aleatorie (Unesco, 1972, Fournier d’Albe, 1979), la pericolosità, l’esposizione e la vulnerabilità, attraverso la convoluzione (1).
Rischio [Scenario] = Pericolosità x Esposizione x Vulnerabilità (1)
La pericolosità è la probabilità di accadimento di tutti i possibili eventi vulcanici [di un singolo evento] di una data severità, in una specifica area ed in uno specifico periodo temporale.
differenti elementi a rischio che caratterizzano l’area in esame (persone, edifici, infra- strutture, attività e beni mobili), le cui condizioni e/o funzionamento possono essere danneggiati, alterati o distrutti a causa del verificarsi dell’evento naturale.
La vulnerabilità è la sensibilità di un elemento esposto nei riguardi dell’evento naturale. Essa può essere valutata come la probabilità che l’elemento esposto subi- sca un certo livello di danno o cambiamenti di stato, con riferimento ad un opportuna scala, per effetto di un evento naturale di assegnata intensità.Volendo specializzare la relazione (1), il rischio di attingimento di un certo livello di danno “l” può essere deter- minato attraverso la relazione (2).
(2)
dove: Hi è la probabilità di occorrenza dell’evento vulcanico di severità “i” in un certo periodo di tempo ed in un certo sito; Vl,i,m è la probabilità di attingimento di un assegnato livello di danno “l” per effetto di un evento vulcanico di intensità “i” da parte di una certa categoria “m” (classe di vulnerabilità) di elementi a rischio; qm è la percentuale di elementi esposti di categoria “m”.
Lo scenario di attingimento di un certo livello di danno “l”, per effetto di un sin- golo evento vulcanico di intensità “i”, invece, può essere determinato attraverso la relazione (3).
(3)
Nella pianificazione di emergenza possono essere impiegate tanto analisi di ri- schio che di scenario, in risposta alle diverse finalità che si intende perseguire. Le ana- lisi di rischio consentono valutazioni comparative di aree sottoposte a pianificazione sia per decisioni in merito alle strategie di intervento (ad esempio, priorità di evacua- zione, etc.), sia per la definizione di interventi di mitigazione del danno. Le analisi di scenario, attraverso l’individuazione dell’estensione dell’area d’interesse e la valuta- zione dell’impatto territoriale, sono utili alla quantificazione delle risorse necessarie alla pianificazione d’emergenza ed alla organizzazione dell’intervento operativo. Nel seguito, sono illustrati due diversi utilizzi delle analisi di rischio e delle analisi di scena- rio. Nel primo caso si illustra l’utilizzo di mappe di rischio indotto da caduta di cenere per la definizione delle aree da evacuare nella fase pre-eruttiva. Nel secondo caso, invece, si illustra l’utilizzo di mappe di scenario sismico allo scopo di: individuare, in fase di pianificazione, le criticità delle vie di fuga deputate all’allontanamento dalle aree da evacuare; e, in fase di emergenza, per valutazioni in tempo reale, dei danni indotti a strade ed edifici allo scopo di gestire meglio i soccorsi.
Vulnerabilità ed esposizione
Lasciando ad altre sedi la stima della “pericolosità” legata ai diversi fenomeni indotti da un’eruzione, nel seguito, si illustrano alcune metodologie per la valutazione di “vulnerabilità” ed “esposizione”.
Vulnerabilità ed esposizione rappresentano fattori strettamente connessi. Per ciascuna categoria di elementi a rischio, la stima della vulnerabilità nei riguardi di un
evento naturale deve essere accompagnata da “un’analisi qualitativa e quantitativa del bene esposto” (esposizione), allo scopo di identificare la distribuzione spaziale, ed eventualmente temporale, di classi tipologiche di elementi a rischio, dette classi di vulnerabilità, ciascuna delle quali costituisce un insieme di elementi che per caratte- ristiche presentano comportamento simile (vulnerabilità) nei riguardi del fenomeno. In altri termini, occorre individuare le caratteristiche salienti dell’elemento a rischio, cui si attribuisce una certa capacità di rispondere al fenomeno naturale.
Per brevità, nel seguito, sono riportati riferimenti espliciti solo a due elementi a rischio: gli edifici e i tratti stradali.
Vulnerabilità degli edifici
La vulnerabilità di un edificio, inteso come singola unità strutturale, è la proba- bilità che il sistema (intero edificio), i sottosistemi (pareti, telai, tetti, ecc), o le compo- nenti del sistema (travi, pilastri, pannelli di tamponamento, finestre, porte, ecc) siano danneggiati per effetto di un’assegnata azione cui sono sottoposti. La definizione stessa di vulnerabilità suggerisce la necessità di definire in maniera univoca il livello di “danneggiabilità”del bene esposto per effetto dell’evento naturale. In tabella 1, è riportato una possibile scala di danno degli edifici.
La propensione di un edificio a subire danni è funzione degli elementi che lo co- stituiscono. La resistenza e gli aspetti tecnologici degli elementi strutturali (pareti, tra- vi, colonne, solai, coperture, ecc) e non strutturali (pannelli di tamponatura, aperture, pannelli di protezione, ecc) influenzano fortemente la vulnerabilità dell’edificio stesso (Zuccaro and De Gregorio, 2013; Zuccaro et al., 2014; Mavrouli et al., 2014). La vulne- rabilità di un edificio nei riguardi di un fenomeno connesso ad un’eruzione vulcanica (sisma, flussi piroclastici, depositi di cenere, lahars, etc.) può essere valutata attraver- so le cosiddette “curve di vulnerabilità”. Per un’assegnata “classe di vulnerabilità”19,
esse esprimono la probabilità di superamento di un certo livello di danno al variare del parametro di misura della pericolosità, che può essere l’accelerazione sismica di picco, l’intensità spettrale, l’intensità macrosismica, la pressione dinamica di un flusso (frana, alluvione, flusso pirocla- stico, ecc.), lo spessore di un deposito di cenere, ecc.
Le curve di vulnerabilità posso- no ottenersi attraverso tre diversi ap- procci, metodi osservazionali, metodi meccanici e metodi ibridi, utilizzabili in ragione delle diverse informazioni a disposizione.
I “metodi osservazionali” valuta- no le curve di vulnerabilità attraverso l’analisi statistica dell’osservazione dei danni prodotti da eventi passati su un campione consistente di edifici. 19 Per “classe di vulnerabilità” si intende un insieme di edifici che per caratteristiche tipologico- strutturali presenti comportamento simile nei riguardi di un determinato evento vulcanico.
Fig.68 - Curve di vulnerabilità degli edifici (classificati in accordo alla EMS’98) nei riguardi di un evento sismico (Zuccaro, 2004; Zuccaro et al., 2008; Zuccaro e De Gregorio, 2013).
Fig. 69 - Curve di vulnerabilità dei tetti (classificati in Tabella 2) nei riguardi dei depositi vulcanici da ricaduta (Spence et al., 2004b; Spence et al., 2005; Zuccaro et al., 2008).
Fig. 70 - Curve di vulnerabilità degli edifici (classificati in tabella 3) nei riguardi dei flussi piroclastici (Spence et al., 2004b; Spence et al., 2005; Zuccaro et al., 2008).
Tab. 2 - Classificazione tipologica delle coperture vesuviane e flegree (Spence et al., 2004b; Spence et al., 2005; Zuccaro et al., 2008).
Fig. 71 - Vulnerabilità dei tetti nei confronti della caduta di cenere: a) eruzione del 1991 del Monte Pinatubo, Filippine (www.volcanoes.usgs.gov); b) eruzione del 2014 del Monte Kelud, Indonesia (foto AFP); c) eruzione del 2014 del Monte Ontake,
Giappone (Photo/Kyodo News); d) eruzione del 1997 del Soufiere Hills, Montserrat, UK.
Tab. 3 - Classificazione tipologica degli edifici vesuviani e flegrei (Spence et al., 2004b; Spence et al., 2005; Zuccaro et al., 2008).
I “metodi meccanici” valutano le curve di vulnerabilità attraverso elaborazione statistica dei risultati ottenuti da analisi meccaniche (non lineari) condotte su un cam- pione random di modelli rappresentanti l’edificato dell’area in esame (ad esempio, generato con simulazione Montecarlo) soggetti ad un set rappresentativo di eventi (pericolosità).
I “metodi ibridi” valutano le curve di vulnerabilità combinando analisi meccani- che e osservazione di danni prodotti da eventi occorsi. A titolo esemplificativo, nelle figure 68, 69 e 70 sono riportate, rispettivamente, le curve di vulnerabilità degli edi- fici nei riguardi del sisma, dei depositi da caduta e dei flussi piroclastici. Le curve di figura 68 sono ottenute, per edifici classificati secondo la scala macrosismica euro- pea (EMS’98), attraverso un metodo osservazionale basato su analisi statistica della distribuzione dei danni rilevati a seguito di numerosi terremoti del passato (Zuccaro, 2004; Zuccaro et al., 2008; Zuccaro e De Gregorio, 2013). Le curve di figura 69 sono determinate attraverso un approccio ibrido statistico, fondato su analisi numeriche allo stato limite di collasso e prove sperimentali (Spence et al., 2004b; Zuccaro et al., 2008). Le eruzioni del passato hanno mostrato che gli elementi di maggiore vulnerabi- lità nei riguardi della caduta di cenere sono costituiti dai tetti (fig. 71). Per tale ragione, le curve di figura 69 si riferiscono alle classi tipologiche indicate in tabella 2, ottenute a seguito del rilievo di oltre 19000 tetti in area partenopea (Spence et al., 2005).
Le curve di figura 70 sono determinate attraverso analisi meccaniche agli stati limite, al variare delle caratteristiche tipologiche delle strutture verticali, degli orizzon- tamenti e dell’altezza dell’edificio (Zuccaro et al 2000, 2008; Spence et al 2004a,b). Esse si riferiscono alle classi tipologiche indicate in tabella 3. Con riferimento ai flussi piroclastici, è importante sottolineare che i danni agli edifici sono imputabili non solo alla vulnerabilità degli elementi strutturali, ma anche alla resistenza di elementi non strutturali come aperture (porte e finestre) e tamponature, la cui crisi, consentendo l’ingresso di gas e ceneri ad elevata temperatura, può essere in grado di generare incendi, oltre che mettere a rischio la vita delle persone eventualmente presenti. Per queste ragioni, sono state condotte prove sperimentali al collasso di elementi non strutturali per effetto di pressioni orizzontali (Spence te al., 2004b). I risultati ottenuti sono sintetizzati in tabella 4. Una metodologia del tutto similare è stata adottata per la valutazione della vulnerabilità degli edifici nei riguardi delle pressioni orizzontali indot- te da frane e lahars sugli edifici (Zuccaro e De Gregorio, 2013; Mavrouli et al., 2013) Vulnerabilità dei tratti stradali
Nelle comuni analisi di rischio, la vulnerabilità dei tratti stradali (e ferroviari) nei riguardi di un evento naturale è correlata alla impraticabilità degli stessi, che potreb- be ripercuotersi in maniera più o meno grave sulla circolazione, causando anche in- tralcio ad operazioni di soccorso o evacuazione. Nel caso di evento sismico, per un assegnato valore della pericolosità, la probabilità di interruzione di un tratto stradale è riconducibile alla vulnerabilità sismica degli edifici ad esso prospicienti (fig.72), in particolare, al numero di edifici interessati da collasso parziale o totale, attraverso la relazione (4).
dove: Pi è la probabilità di interruzione del link stradale (link = tratto stradale compreso tra due intersezioni viarie) ed NC è il numero di edifici per link interessati da collasso parziale o totale per effetto dell’azione sismica, le cui macerie potrebbero occupare la sede stradale (Zuccaro e Cacace, 2010).
Nel caso delle eruzioni vulcaniche, la probabilità di interruzione stradale va va- lutata con riferimento alla distribuzione temporale dei diversi fenomeni generati. Ad esempio, nella fase pre- eruttiva ed in un’area prossima al cratere, potrebbero ma- nifestarsi terremoti precursori in grado di produrre interruzioni stradali per effetto del collasso parziale o totale degli edifici prospicienti.
Nella fase eruttiva, la caduta di cenere potrebbe causare interruzioni stradali anche a molti chilometri di distanza dal cratere. Basti pensare che uno spessore di cenere di 1-3 mm è in grado di ridurre seriamente la visibilità stradale, rendere il fondo stradale pericolosamente scivoloso e causare danni seri alle auto, tanto da rendere necessario ricorrere alla temporanea chiusura delle strade. Successivamente, l’even- tuale raggiungimento della sede stradale da parte di flussi piroclastici e lahars coinci- de generalmente con l’interruzione stradale (Wilson et al., 2014).
Esposizione degli edifici
La stima degli edifici presenti nell’area in esame è riconducibile ad un’analisi statisti- ca, che valuti la distribuzione percentuale delle diverse classi di vulnerabilità degli edifici sulla base del loro differente comportamento nei riguardi dell’evento naturale.
In relazione al terremoto, la scala macrosismica europea (EMS’98) suggerisce l’adozione di sei classi di vulnerabilità (A, B, C, D, E, F) sulla base della sola struttura verticale dell’edificio. Questa classificazione ha il vantaggio di poter essere impiegata sulla base di informazioni povere e facilmente reperibili, ma presenta lo svantaggio di essere caratterizzata da notevoli incertezze legate all’aver trascurato altre infor- mazioni che caratterizzano il comportamento sismico di un edificio, come struttura orizzontale, copertura, regolarità, età, ecc. E’ attuale il dibattito che impegna la comu- nità scientifica allo scopo di ridurre queste incertezze attraverso l’assegnazione delle classi di vulnerabilità in considerazione di ulteriori fattori strutturali e tipologici, a par- tire dalla letteratura di settore (Zuccaro et al., 2008; Michel e Sira, 2012; CAR, 2103).
Con riferimento ad altri eventi naturali, le classi di vulnerabilità vanno distinte su basi diverse da quelle utilizzate in campo sismico.
Nel caso delle eruzioni vulcaniche, caratterizzate da una pluralità di eventi (terre- moti precursori, caduta di cenere, flussi piroclastici, lahars, frane, tsunami) elementi di vulnerabilità da investigare sono oltre a quelli delle più comuni analisi sismiche (strut- tura verticale, struttura orizzontale, regolarità, ecc.), anche quelli relativi alla struttura ed alla geometria delle coperture, direttamente investite dalla caduta di cenere, e quelli relativi alle tamponature ed alle aperture presenti sulle facciate esposti a flussi piroclastici, lahars, frane e tsunami (Spence et al., 2004a e b; Baxter, 1990; Zuccaro et al., 2008; Petrazzuoli e Zuccaro, 2004; Zuccaro et al., 2012).
A titolo di esempio, nelle tabelle 2 e 3 sono riportate possibili classificazioni, rispettivamente, delle coperture nei confronti dei depositi da caduta e degli edifici nei confronti dei flussi piroclastici.
In un’ultima analisi, una volta assunte le classi di vulnerabilità di riferimento, è necessaria una campagna conoscitiva degli edifici caratterizzanti l’area allo scopo di assegnare a ciascuno di essi una classe di vulnerabilità. A seconda del grado di conoscenza del tessuto edilizio, le tecniche possibili sono le seguenti (Zuccaro et al., 2012).
Nel caso in cui nell’Unità geografica Minima di Riferimento di valutazione (UMR), siano disponibili i dati di rilievo di tutti gli edifici, l’assegnazione della classe di vulne- rabilità agli edifici può essere condotta in maniera diretta, sulla base degli elementi di vulnerabilità noti.
Nel caso in cui nell’UMR non siano disponibili rilievi degli edifici, l’assegnazione di classe di vulnerabilità agli edifici può essere condotta elaborando opportune correlazio- ni statistiche tra le informazioni contenute nel data-base ISTAT sugli edifici (da “Censi- mento generale della popolazione e delle abitazioni”) e le caratteristiche degli edifici noti da rilievo sul campo in aree di caratteristiche simili all’UMR, spesso adiacenti.
Nel caso in cui nell’UMR siano disponibili i dati di rilievo di un numero parziale di edifici, l’assegnazione può essere condotta sulla base di una media pesata fra la classe derivante da applicazione diretta (EMS 98, etc.) per gli edifici di caratteristiche note e quella desunta dal dato ISTAT, proporzionalmente alla percentuale di comple- tezza del rilievo.
Esposizione dei tratti stradali
La stima dell’esposizione delle reti viarie dell’area in esame consiste nella indivi- duazione di tutti i tratti stradali (denominati “link”), compresi tra due intersezioni viarie (o “nodi”), classificati per tipo (autostrade, strade extraurbane principali, strade ex- traurbane secondarie, strade urbane di scorrimento, strade urbane di quartiere, stra- de locali, itinerari ciclopedonali), dimensione sede stradale e senso di percorrenza. Analisi di rischio per la individuazione delle aree da evacuare
I Piani di Emergenza, messi a punto dal Dipartimento della Protezione Civile con l’ausilio delle competenze scientifiche e degli enti amministrativi interessati, costitu- iscono un utile strumento di mitigazione del rischio vulcanico, che parte dall’esame della pericolosità del vulcano (attraverso la scelta dell’evento di riferimento), dell’e- sposizione degli elementi investiti dall’eruzione (persone, edifici e infrastrutture) e del- le vulnerabilità di questi ultimi nei confronti dei fenomeni eruttivi.
Per il Vesuvio ed i Campi Flegrei (fig.73) sono attese eruzioni di tipo esplosivo, caratterizzate dalla formazione di una colonna eruttiva sostenuta alta diversi chilo- metri, dalla caduta di bombe vulcaniche e blocchi di pietra nell’immediato intorno del cratere e di particelle di dimensioni minori (ceneri e lapilli) anche a diverse decine di chilometri di distanza nelle aree sottovento, nonché la formazione di flussi piroclastici che scorrerebbero lungo le pendici del vulcano per alcuni chilometri. Per i Campi Fle- grei, a differenza di quanto avviene nei vulcani con apparato centrale, come il Vesu- vio, l’area di possibile apertura di bocche eruttive è molto ampia; inoltre, per quanto concerne la caduta di cenere, occorre considerare che, a differenza del Vesuvio, la città di Napoli si trova sottovento rispetto alla direzione dei venti dominanti e sarebbe pertanto coinvolta.
I Piani di Emergenza messi a punto per i due vulcani napoletani prevedono l’in- dividuazione di due diverse aree, denominate “area rossa”, per la quale è prevista una evacuazione preventiva, ed “area gialla”, potenzialmente interessata da evacuazione post-eruzione.
Danni indotti dai flussi piroclastici
I Piani di Emergenza individuano l’area rossa come coincidente con l’area po- tenzialmente invasa da correnti piroclastiche, costituite da nubi di gas cariche di par- ticelle, capaci di fluire giù dai pendii fino a raggiungere notevoli distanze dal punto di emissione, con velocità che possono facilmente superare i 100 km/h (~30 m/s) e con temperature anche maggiori di 500°C, in grado di causare gravi problemi respiratori, per effetto delle particelle disperse nell’aria, e danni al cuore e cervello, per effetto delle alte temperature. Ciò suggerisce di assumere come molto poco probabile la so-
Fig. 73 - Localizzazione dei sistemi vulcanici del Vesuvio e dei Campi Flegrei. I triangoli indicano le probabili posizioni delle Bocche eruttive.
pravvivenza delle persone che si trovino all’aperto nelle aree raggiunte dalle colate pi- roclastiche. Le probabilità di “casualties” tra gli occupanti un edificio, invece, possono assumersi proporzionali al collasso degli elementi (strutturali e non) che costituiscono l’edificio, specie le aperture, che garantisco o meno la tenuta dell’involucro edilizio nei riguardi dei flussi piroclastici (Spence et al., 2005; Baxter et al., 1998).
Analisi dei danni indotti dai flussi piroclastici in area vesuviana e flegrea hanno evidenziato la particolare vulnerabilità dell’edificato nei riguardi delle pressioni dina- miche indotte. Ad esempio, per i flussi piroclastici realtivi alle condizioni eruttive rico-